[C++] 一篇带你了解C++中动态内存管理，new让大家都有对象

目录

1、C/C++内存分布

2.、C语言中动态内存管理方式：malloc、calloc、realloc

3、C++内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型

3.2 new和delete操作自定义类型

3.3 malloc与new的异常处理机制

4、operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数

4.1.1 operator new源码

4.1.2 operator delete源码

5、new和delete的实现原理

5.1 内置类型

5.2 自定义类型

5.2.1 new的原理

5.2.2 delete的原理

5.2.3new T[N]的原理

5.2.4 delete[]的原理

6、定位new表达式（了解）

7、malloc/free和new/delete的区别

7.1 malloc/free和new/delete 相同点

7.2 malloc/free和new/delete 不相同点

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1、C/C++内存分布

我们先来了解一下C/C++内存分配的几个区域，以下面的代码为例来看：

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
    static int staticVar = 1;
    int localVar = 1;
    int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
    char char2[] = "abcd";
    const char* pChar3 = "abcd";
    int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
    int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
    int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
    free(ptr1);
    free(ptr3);
}

说明：

1. 栈又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
2. 内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享共享内存，做进程间通信。

3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
4. 数据段/静态区--存储全局数据和静态数据。
5. 代码段/常量区--可执行的代码/只读常量。

2.、C语言中动态内存管理方式：malloc、calloc、realloc

malloc：向内存申请一块空间，成功的话返回内存块的指针，失败返回空指针（NULL）；

calloc：向内存申请一块空间，并逐字节初始化为0，成功的话返回内存块的指针，失败返回空指针（NULL）；

realloc：调整动态开辟的内存大小。

我们以代码举例来看看：

int mian()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));

	int* p2 = (int*)realloc(p1, sizeof(int) * 10);// 扩容，若是异地扩容realloc会将p1的内容
	free(p2);									  // 拷贝到p2开出的内存中并释放掉p1的内存

	int* p3 = (int*)calloc(1, sizeof(int));// 开辟四个字节空间，并初始化为 1
	free(p3);
	
	return 0;
}

3、C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力，而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

3.1 new/delete操作内置类型

int main()
{
	// 管理对象
	// 动态开辟一个int类型的空间
	int* p1 = new int;
	// 动态开辟一个int类型的空间，并初始化为1
	int* p2 = new int(1);

	//管理对象数组
	// 动态开辟一个int类型的数组
	int* p3 = new int[10];
	// 动态开辟一个int类型的数组，并初始化
	int* p4 = new int[10]{};// 不写初始化值，默认初始化为 0
	// 动态开辟一个int类型的数组，并初始化
	int* p5 = new int[10]{ 1,2,3 };// 前三个分别初始化为1 2 3，后面默认初始化为 0

	//释放开辟的内存
	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;// 对应释放数组加[]
	delete[] p4;
	delete[] p5;

	return 0;
}

我们启动监视窗口看看结果：

注意：申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]，注意：匹配起来使用。

3.2 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* a1 = (A*)malloc(sizeof(A));

	A* a2 = new A;

	free(a1);

	delete(a2);

	return 0;
}

我们来看看malloc、new开辟动态内存 与 free、delete释放内存。

我们先来看结果：

这里分别自动调用了一次构造函数与析构函数。这里到底是谁调用的呢？

对于C语言来说，是不存在构造函数的，因此C语言设计的malloc是不会自动调用构造函数的，free也是不会调用析构函数，但是对于C++来讲，是面向对象的，new与delete会在开辟与释放内存时调用构造函数与析构函数。

注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

3.3 malloc与new的异常处理机制

int main()
{
	int* p1 = (int*)malloc(1024 * 1024 * 1024);
	cout << p1 << endl;

	int* p2 = (int*)malloc(1024 * 1024 * 1024);
	cout << p2 << endl;

	try
	{
		char* p3 = new char[0x7fffffff];
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

当malloc失败时返回空指针，而new失败了会抛异常。
new失败后，直接会跳到异常捕获语句，不执行new后面的代码，如果我们不捕获异常程序就会终止掉。异常的捕获只会在try、catch里面，不在里面就不会捕获异常。

4、operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数

C++的标准库里提供了operator new与operator delete函数，但是这两个函数不是重载，只是名字像重载，是系统提供的两个全局函数，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间。

我们来分别看看源码：

4.1.1 operator new源码

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
    // try to allocate size bytes
    void *p;
    while ((p = malloc(size)) == 0)
    if (_callnewh(size) == 0)
    {
        // report no memory
        // 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
        static const std::bad_alloc nomem;
        _RAISE(nomem);
    }
    return (p);
}

operator new里封装了malloc，失败了会抛异常，

4.1.2 operator delete源码

void operator delete(void *pUserData)
{
    _CrtMemBlockHeader * pHead;
    RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
    if (pUserData == NULL)
    return;
    _mlock(_HEAP_LOCK); /* block other threads */
    __TRY
    /* get a pointer to memory block header */
    pHead = pHdr(pUserData);
    /* verify block type */
    _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
    _free_dbg( pUserData, pHead->nBlockUse );
    __FINALLY
    _munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */
    __END_TRY_FINALLY
    return;
}

/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

总结：通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

5、new和delete的实现原理

5.1 内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本类似，不同的地方是：new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请的是连续空间，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

5.2 自定义类型

5.2.1 new的原理

1. 调用operator new函数申请空间
2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

5.2.2 delete的原理

1. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
2. 调用operator delete函数释放对象的空间

5.2.3new T[N]的原理

1. 调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请
2. 在申请的空间上执行N次构造函数

5.2.4 delete[]的原理

1. 在释放的对象空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理
2. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

6、定位new表达式（了解）

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。
使用格式：
new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表

使用场景：

定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

class A
{
public:
    A(int a = 0)
    : _a(a)
    {
    cout << "A():" << this << endl;
    }
    ~A()
    {
    cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
	int _a;
};
int main()
{
    // p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没
    有执行
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    new(p1)A; // 显示调用构造函数 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
    p1->~A();
    free(p1);

    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
    new(p2)A(10);// 显示调用构造函数
    p2->~A();
    operator delete(p2);
    
    return 0;
}

7、malloc/free和new/delete的区别

7.1 malloc/free和new/delete 相同点

都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放

7.2 malloc/free和new/delete 不相同点

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可，如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型
5. malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常
6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，而new在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理